Бетон является одним из наиболее широко используемых строительных материалов в мире. Однако, несмотря на свою прочность, бетон также обладает рядом недостатков, таких как низкая прочность на растяжение, хрупкость и восприимчивость к трещинообразованию. В последние годы исследователи активно изучают возможности модификации бетона с помощью различных добавок, в том числе наноматериалов, для улучшения его физико-механических свойств.
Одним из перспективных наноматериалов, используемых для улучшения характеристик бетона, является графен. Графен — это двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, связанных в гексагональную решетку. Он обладает уникальными механическими, электрическими и тепловыми свойствами, что делает его привлекательным для применения в строительных композитах.
В данной работе представлен обзор исследований, посвященных изучению влияния добавок графена на прочностные характеристики бетона.
Методы модификации бетона графеном
Существует несколько основных способов введения графена в бетонную смесь:
1. Диспергирование графена в воде для затворения бетона. Графен предварительно диспергируется в воде с помощью ультразвуковой обработки или добавления поверхностно-активных веществ, а затем смешивается с остальными компонентами бетонной смеси.
2. Введение графена в виде сухого порошка непосредственно в бетонную смесь. Графеновый порошок добавляется к сухим компонентам бетона (цемент, заполнители) и тщательно перемешивается.
3. Нанесение графена на поверхность заполнителей. Графен наносится на поверхность крупного или мелкого заполнителя (щебень, песок) с помощью адгезионных добавок, а затем эти модифицированные заполнители вводятся в бетонную смесь.
Влияние графена на прочность бетона
Многочисленные исследования показали, что добавление графена в бетон приводит к значительному улучшению его прочностных характеристик:
— Прочность на сжатие. Добавление 0,05-0,1% графена от массы цемента может увеличить прочность на сжатие бетона на 15-30% по сравнению с контрольным образцом.
— Прочность на растяжение при изгибе. Введение 0,05-0,1% графена способствует повышению прочности на растяжение при изгибе на 20-40%.
— Трещиностойкость. Графен эффективно предотвращает образование и распространение микротрещин в бетоне, повышая его трещиностойкость на 25-50%.
Механизмы улучшения прочностных свойств
Основные механизмы, лежащие в основе улучшения прочностных характеристик бетона с добавлением графена:
1. Армирующий эффект. Графен, обладающий высокой прочностью и модулем упругости, действует как микроармирующий элемент в бетонной матрице, препятствуя распространению трещин.
2. Улучшение адгезии. Графен обеспечивает лучшее сцепление между цементным камнем и заполнителями, что приводит к повышению прочности на границе раздела.
3. Уплотнение структуры. Графен заполняет микропоры в бетоне, уплотняя его структуру и снижая пористость, что положительно сказывается на прочностных характеристиках.
4. Модификация гидратации цемента. Графен может влиять на процессы гидратации цемента, способствуя образованию более плотных и прочных гидратных новообразований.
Заключение
Результаты многочисленных исследований демонстрируют высокую эффективность использования графена для улучшения прочностных характеристик бетона. Добавление небольших количеств графена (0,05-0,1% от массы цемента) способно значительно повысить прочность на сжатие, растяжение при изгибе и трещиностойкость бетона. Это делает графен перспективным модификатором для повышения долговечности и надежности бетонных конструкций.